(57)【要約】【課題】スイッチング素子の寄生容量が大きい場合にも零電圧スイッチングを実現する増幅回路を備える電源装置、非接触送電装置、車両、および非接触電力伝送システムを提供する。【解決手段】電源装置２０は、チョークコイル２１０と、スイッチング素子２２０と、共振回路２５０と、補償回路２６０とを含む。スイッチング素子２２０の寄生容量２７０は、Ｅ級零電圧スイッチングを実現するための所定の容量よりも大きい。補償回路２６０は、スイッチング素子２２０に並列に接続される。補償回路２６０は、直列接続されたコイル２６２およびキャパシタ２６４を含み、誘導性インピーダンスを有する。【選択図】図３
2013030973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
寄生容量がＥ級零電圧スイッチングを実現するための所定の容量よりも大きいスイッチング素子を含む増幅回路と、
前記スイッチング素子に並列に接続され、誘導性インピーダンスを有する補償回路とを備える電源装置。
【請求項２】
前記増幅回路は、
前記スイッチング素子と、
前記スイッチング素子と直流電源との間に接続される第１のインダクタと、
前記第１のインダクタおよび前記スイッチング素子間の接続ノードと当該増幅回路に接続される負荷との間に接続される共振回路とを含む、請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記補償回路は、直列接続された第２のインダクタおよび容量素子を含む、請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記第２のインダクタのインダクタンスは、前記第２のインダクタと前記スイッチング素子の寄生容量とによって形成される回路の共振周波数が前記スイッチング素子のスイッチング周波数と同等になるように設定される、請求項３に記載の電源装置。
【請求項５】
前記所定の容量は、前記スイッチング素子のスイッチング周波数および前記増幅回路に接続される負荷によって決定される、請求項１から４のいずれかに記載の電源装置。
【請求項６】
前記スイッチング素子は、互いに並列接続された複数のスイッチング素子によって構成される、請求項１から５のいずれかに記載の電源装置。
【請求項７】
受電装置へ電力を非接触で出力する非接触送電装置であって、
交流電力を生成する電源部と、
前記電源部から供給される交流電力を前記受電装置の受電用共鳴部へ非接触で出力するように構成された送電用共鳴部とを備え、
前記送電用共鳴部の固有周波数は、前記受電用共鳴部の固有周波数と同じであり、
前記電源部は、
寄生容量がＥ級零電圧スイッチングを実現するための所定の容量よりも大きいスイッチング素子を含む増幅回路と、
前記スイッチング素子に並列に接続され、誘導性インピーダンスを有する補償回路とを含む、非接触送電装置。
【請求項８】
前記増幅回路は、
前記スイッチング素子と、
前記スイッチング素子と直流電源との間に接続される第１のインダクタと、
前記第１のインダクタおよび前記スイッチング素子間の接続ノードと前記送電用共鳴部との間に接続される共振回路とを含む、請求項７に記載の非接触送電装置。
【請求項９】
前記補償回路は、直列接続された第２のインダクタおよび容量素子を含む、請求項８に記載の非接触送電装置。
【請求項１０】
前記第２のインダクタのインダクタンスは、前記第２のインダクタと前記スイッチング素子の寄生容量とによって形成される回路の共振周波数が前記スイッチング素子のスイッチング周波数と同等になるように設定される、請求項９に記載の非接触送電装置。
【請求項１１】
前記所定の容量は、前記スイッチング素子のスイッチング周波数および前記増幅回路に接続される負荷によって決定される、請求項７から１０のいずれかに記載の非接触送電装置。
【請求項１２】
前記スイッチング素子は、互いに並列接続された複数のスイッチング素子によって構成される、請求項７から１１のいずれかに記載の非接触送電装置。
【請求項１３】
前記送電用共鳴部は、前記送電用共鳴部と前記受電用共鳴部との間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する磁界と、前記送電用共鳴部と前記受電用共鳴部との間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて前記受電用共鳴部へ送電する、請求項７から１２のいずれかに記載の非接触送電装置。
【請求項１４】
前記送電用共鳴部と前記受電用共鳴部との結合係数は、０．１以下である、請求項７から１３のいずれかに記載の非接触送電装置。
【請求項１５】
車両外部の負荷へ電力を非接触で出力する車両であって、
蓄電装置と、
前記蓄電装置から電力を受けて交流電力を生成する電源部と、
前記電源部から供給される交流電力を前記負荷側の受電用共鳴部へ非接触で出力するように構成された共鳴部とを備え、
前記共鳴部の固有周波数は、前記受電用共鳴部の固有周波数と同じであり、
前記電源部は、
寄生容量がＥ級零電圧スイッチングを実現するための所定の容量よりも大きいスイッチング素子を含む増幅回路と、
前記スイッチング素子に並列に接続され、誘導性インピーダンスを有する補償回路とを含む、車両。
【請求項１６】
送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムであって、
前記送電装置は、
交流電力を生成する電源部と、
前記電源部から供給される交流電力を前記受電装置へ非接触で出力するように構成された送電用共鳴部とを備え、
前記受電装置は、前記送電用共鳴部から出力される電力を非接触で受電するように構成された受電用共鳴部を備え、
前記受電用共鳴部の固有周波数は、前記送電用共鳴部の固有周波数と同じであり、
前記電源部は、
寄生容量がＥ級零電圧スイッチングを実現するための所定の容量よりも大きいスイッチング素子を含む増幅回路と、
前記スイッチング素子に並列に接続され、誘導性インピーダンスを有する補償回路とを含む、非接触電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電源装置、非接触送電装置、車両、および非接触電力伝送システムに関し、特に、非接触電力伝送に用いられる高周波電源の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波の電力を低損失で生成可能なＥ級増幅回路（「Ｅ級零電圧スイッチング（ＺＶＳ：Zero  Voltage  Switching）回路」とも称される。）が知られている。Ｅ級増幅回路では、スイッチング素子の両端の電圧が零で、かつ、その傾きも零の状態でスイッチング素子がターンオンするので（零電圧スイッチング）、スイッチング損失を小さくすることができ、特に高周波電源において有用である。
【０００３】
特開平７−１４２９３７号公報（特許文献１）は、そのようなＥ級増幅回路の一構成を開示する。一般的に、Ｅ級増幅回路は、チョークコイルと、スイッチング素子と、スイッチング素子に並列に接続されるシャントキャパシタと、チョークコイルおよび負荷間に直列に接続されるインダクタおよびキャパシタとを含む。そして、このＥ級増幅回路においては、スイッチング素子およびシャントキャパシタに並列に、直列接続されたインダクタおよびキャパシタから成る直列共振回路が設けられる。
【０００４】
このような構成とすることにより、このＥ級増幅回路によれば、Ｅ級増幅回路の入力電力、出力電力、負荷抵抗の関係に設計上の許容範囲をもたせることができるとされる（特許文献１参照）。
【０００５】
また、特開２０１１−３０２９８号公報（特許文献２）は、高周波電源を有するワイヤレス給電装置を開示する。このワイヤレス給電装置においては、電源制御回路によって高周波電力が生成される。そして、生成された高周波電力が供給される給電コイルから受電コイルへ磁場共鳴により電力が伝送される（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１４２９３７号公報
【特許文献２】特開２０１１−３０２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のようなワイヤレス給電装置の高周波電源にＥ級増幅回路を用いることによって低損失の電源装置を構成し、非接触電力伝送の効率向上を図ることができる。ここで、大電力の電力伝送を実現するには、電源装置に用いられるＥ級増幅回路のスイッチング素子の定格電圧や定格電流を大きくする必要がある。スイッチング素子の定格には上限があるので、複数のスイッチング素子を並列接続して等価的に定格電流の大きいスイッチング素子を構成することができる。
【０００８】
ここで、スイッチング素子には寄生容量が存在する。そして、大電力伝送を実現するためにスイッチング素子を大型化したり、複数のスイッチング素子を並列接続したりすると、スイッチング素子全体としての寄生容量が増大する。そうすると、スイッチング素子のターンオン時に零電圧スイッチングを達成することができなくなり、その結果、損失が増大してしまう。このような問題点およびその解決手段について、上記の各文献では特に検討されていない。
【０００９】
そこで、この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、スイッチング素子の寄生容量が大きい場合にも零電圧スイッチングを実現する増幅回路を備える電源装置、非接触送電装置、車両、および非接触電力伝送システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明によれば、電源装置は、増幅回路と、補償回路とを備える。増幅回路は、スイッチング素子を含む。スイッチング素子の寄生容量は、Ｅ級零電圧スイッチングを実現するための所定の容量よりも大きい。補償回路は、スイッチング素子に並列に接続され、誘導性インピーダンスを有する。
【００１１】
好ましくは、増幅回路は、スイッチング素子と、第１のインダクタと、共振回路とを含む。第１のインダクタは、スイッチング素子と直流電源との間に接続される。共振回路は、第１のインダクタおよびスイッチング素子間の接続ノードと増幅回路に接続される負荷との間に接続される。
【００１２】
さらに好ましくは、補償回路は、直列接続された第２のインダクタおよび容量素子を含む。
【００１３】
さらに好ましくは、第２のインダクタのインダクタンスは、第２のインダクタとスイッチング素子の寄生容量とによって形成される回路の共振周波数がスイッチング素子のスイッチング周波数と同等になるように設定される。
【００１４】
好ましくは、所定の容量は、スイッチング素子のスイッチング周波数および増幅回路に接続される負荷によって決定される。
【００１５】
好ましくは、スイッチング素子は、互いに並列接続された複数のスイッチング素子によって構成される。
【００１６】
また、この発明によれば、非接触送電装置は、受電装置へ電力を非接触で出力する非接触送電装置であって、交流電力を生成する電源部と、送電用共鳴部とを備える。送電用共鳴部は、電源部から供給される交流電力を受電装置の受電用共鳴部へ非接触で出力するように構成される。送電用共鳴部の固有周波数は、受電用共鳴部の固有周波数と同じである。電源部は、増幅回路と、補償回路とを含む。増幅回路は、スイッチング素子を含む。スイッチング素子の寄生容量は、Ｅ級零電圧スイッチングを実現するための所定の容量よりも大きい。補償回路は、スイッチング素子に並列に接続され、誘導性インピーダンスを有する。
【００１７】
好ましくは、増幅回路は、スイッチング素子と、第１のインダクタと、共振回路とを含む。第１のインダクタは、スイッチング素子と直流電源との間に接続される。共振回路は、第１のインダクタおよびスイッチング素子間の接続ノードと送電用共鳴部との間に接続される。
【００１８】
さらに好ましくは、補償回路は、直列接続された第２のインダクタおよび容量素子を含む。
【００１９】
さらに好ましくは、第２のインダクタのインダクタンスは、第２のインダクタとスイッチング素子の寄生容量とによって形成される回路の共振周波数がスイッチング素子のスイッチング周波数と同等になるように設定される。
【００２０】
好ましくは、所定の容量は、スイッチング素子のスイッチング周波数および増幅回路に接続される負荷によって決定される。
【００２１】
好ましくは、スイッチング素子は、互いに並列接続された複数のスイッチング素子によって構成される。
【００２２】
好ましくは、送電用共鳴部は、送電用共鳴部と受電用共鳴部との間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する磁界と、送電用共鳴部と受電用共鳴部との間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて受電用共鳴部へ送電する。
【００２３】
好ましくは、送電用共鳴部と受電用共鳴部との結合係数は、０．１以下である。
また、この発明によれば、車両は、車両外部の負荷へ電力を非接触で出力する車両であって、蓄電装置と、電源部と、共鳴部とを備える。電源部は、蓄電装置から電力を受けて交流電力を生成する。共鳴部は、電源部から供給される交流電力を負荷側の受電用共鳴部へ非接触で出力するように構成される。共鳴部の固有周波数は、受電用共鳴部の固有周波数と同じである。電源部は、増幅回路と、補償回路とを含む。増幅回路は、スイッチング素子を含む。スイッチング素子の寄生容量は、Ｅ級零電圧スイッチングを実現するための所定の容量よりも大きい。補償回路は、スイッチング素子に並列に接続され、誘導性インピーダンスを有する。
【００２４】
また、この発明によれば、非接触電力伝送システムは、送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムである。送電装置は、交流電力を生成する電源部と、送電用共鳴部とを備える。送電用共鳴部は、電源部から供給される交流電力を受電装置へ非接触で出力するように構成される。受電装置は、受電用共鳴部を備える。受電用共鳴部は、送電用共鳴部から出力される電力を非接触で受電するように構成される。受電用共鳴部の固有周波数は、送電用共鳴部の固有周波数と同じである。電源部は、増幅回路と、補償回路とを含む。増幅回路は、スイッチング素子を含む。スイッチング素子の寄生容量は、Ｅ級零電圧スイッチングを実現するための所定の容量よりも大きい。補償回路は、スイッチング素子に並列に接続され、誘導性インピーダンスを有する。
【発明の効果】
【００２５】
増幅回路のスイッチング素子の寄生容量がＥ級零電圧スイッチングを実現するための所定の容量よりも大きい場合、このままでは零電圧スイッチングを実現することができない。そこで、この発明においては、スイッチング素子に並列に接続され、誘導性インピーダンスを有する補償回路が設けられる。これにより、スイッチング素子の寄生容量の放電が補償回路によって早められる。
【００２６】
したがって、この発明によれば、スイッチング素子の寄生容量が大きい場合にも零電圧スイッチングを実現することができる。その結果、大電力の非接触電力伝送を高効率に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明による電源装置が適用される非接触電力伝送システムの全体構成図である。
【図２】磁場共鳴による非接触送電の原理を説明するための図である。
【図３】図１に示す電源装置の回路図である。
【図４】一般的なＥ級増幅回路における理想状態下での波形図である。
【図５】一般的なＥ級増幅回路において、スイッチング素子の寄生容量が理論容量を超える場合の波形図である。
【図６】実施の形態１の電源装置における波形図である。
【図７】電源装置の回路図である。
【図８】この発明による電源装置が適用される車両の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２９】
［実施の形態１］
図１は、この発明による電源装置が適用される非接触電力伝送システムの全体構成図である。図１を参照して、この非接触電力伝送システムは、送電装置１００と、車両２００とを備える。送電装置１００は、パワーコントローラ１０と、電源装置２０と、共鳴ユニット３０とを含む。車両２００は、共鳴ユニット５０と、整流回路６０と、蓄電装置７０と、動力生成装置８０とを含む。
【００３０】
パワーコントローラ１０は、たとえば、系統電源１２や太陽電池１４、蓄電装置１６等から電力の供給を受ける。そして、パワーコントローラ１０は、一定の直流電圧を生成し、その生成した直流電圧を電源装置２０へ供給する。
【００３１】
電源装置２０は、パワーコントローラ１０から電力を受けて高周波の交流電力を生成する。この電源装置２０には、大電力を出力可能であり、かつ、零電圧スイッチングを行なうことにより低損失で作動可能な増幅回路が用いられる。この電源装置２０の回路構成については、後ほど詳しく説明する。
【００３２】
共鳴ユニット３０は、電源装置２０から高周波の交流電力の供給を受け、共鳴ユニット５０へ非接触で電力を伝送する。一例として、共鳴ユニット３０は、コイルおよびキャパシタを含む共振回路によって構成される。
【００３３】
一方、車両２００において、共鳴ユニット５０は、送電装置１００側の共鳴ユニット３０から送出される電力を非接触で受電して整流回路６０へ出力する。一例として、共鳴ユニット５０も、コイルおよびキャパシタを含む共振回路によって構成される。
【００３４】
整流回路６０は、共鳴ユニット５０から受ける交流電力を直流電力に変換し、その変換された直流電力を蓄電装置７０へ出力することによって蓄電装置７０を充電する。蓄電装置７０は、再充電可能な直流電源であり、たとえばリチウムイオンやニッケル水素などの二次電池によって構成される。蓄電装置７０は、整流回路６０から出力される電力を蓄えるほか、動力生成装置８０によって発電される電力も蓄える。そして、蓄電装置７０は、その蓄えられた電力を動力生成装置８０へ供給する。なお、蓄電装置７０として大容量のキャパシタも採用可能である。
【００３５】
動力生成装置８０は、蓄電装置７０に蓄えられる電力を用いて車両２００の走行駆動力を発生する。特に図示しないが、動力生成装置８０は、たとえば、蓄電装置７０から電力を受けるインバータ、インバータによって駆動されるモータ、モータによって駆動される駆動輪等を含む。なお、動力生成装置８０は、蓄電装置７０を充電するための発電機と、その発電機を駆動可能なエンジンを含んでもよい。
【００３６】
この非接触電力伝送システムにおいては、送電装置１００の共鳴ユニット３０の固有周波数は、車両２００の共鳴ユニット５０の固有周波数と同じである。ここで、共鳴ユニット３０（５０）の固有周波数とは、共鳴ユニット３０（５０）を構成する電気回路（共振回路）が自由振動する場合の振動周波数を意味する。なお、共鳴ユニット３０（５０）の共振周波数とは、共鳴ユニット３０（５０）を構成する電気回路（共振回路）において、制動力または電気抵抗を零としたときの固有周波数を意味する。
【００３７】
また、固有周波数が「同じ」とは、完全に同じ場合だけでなく、固有周波数が実質的に同じ場合も含む。固有周波数が「実質的に同じ」とは、たとえば、共鳴ユニット３０の固有周波数と共鳴ユニット５０の固有周波数との差が、共鳴ユニット３０または共鳴ユニット５０の固有周波数の１０％以内の場合を意味する。
【００３８】
そして、共鳴ユニット３０は、共鳴ユニット３０，５０間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する磁界と、共鳴ユニット３０，５０間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、車両２００の共鳴ユニット５０へ非接触で送電する。共鳴ユニット３０と共鳴ユニット５０との結合係数κは０．１以下であり、結合係数κとＱ値との積が所定値（たとえば１．０）以上になるように共鳴ユニット３０，５０が設計される。このように、共鳴ユニット３０と共鳴ユニット５０とを電磁界によって共振（共鳴）させることで、送電装置１００の共鳴ユニット３０から車両２００の共鳴ユニット５０へ非接触で電力が伝送される。
【００３９】
なお、上記のように、この非接触電力伝送システムにおいては、共鳴ユニット３０と共鳴ユニット５０とを電磁界によって共振（共鳴）させることで、共鳴ユニット３０から共鳴ユニット５０へ非接触で電力が伝送される。電力伝送における、このような共鳴ユニット３０と共鳴ユニット５０との結合を、たとえば、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電磁界（電磁場）共振結合」、または「電界（電場）共振結合」等という。「電磁界（電磁場）共振結合」は、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電界（電場）共振結合」のいずれも含む結合を意味する。
【００４０】
共鳴ユニット３０と共鳴ユニット５０とが上記のようにコイルによって形成される場合には、共鳴ユニット３０と共鳴ユニット５０とは、主に磁界（磁場）によって結合し、「磁気共鳴結合」または「磁界（磁場）共鳴結合」が形成される。なお、共鳴ユニット３０と共鳴ユニット５０とに、たとえばメアンダライン等のアンテナを採用することも可能であり、この場合には、共鳴ユニット３０と共鳴ユニット５０とは、主に電界（電場）によって結合し、「電界（電場）共鳴結合」が形成される。
【００４１】
図２は、磁場共鳴による非接触送電の原理を説明するための図である。図２を参照して、この送電手法では、２つの音叉が共鳴するのと同様に、同じ固有振動数を有する２つの共振コイルが磁場（電場でもよい）において共鳴することによって、一方のコイルから他方のコイルへ磁場を介して電力が伝送される。
【００４２】
具体的には、送電装置１００側の共鳴ユニット３０は、電磁誘導コイル１１０と共振コイル１２０とによって構成され、電源装置２０に接続される電磁誘導コイル１１０を用いて、高周波電力が共振コイル１２０に供給される。車両２００側の共鳴ユニット５０も、共振コイル１４０と電磁誘導コイル１６０とによって構成される。共振コイル１２０は、キャパシタ１３０とともにＬＣ共振器を形成し、共振コイル１２０と同じ固有周波数を有する車両２００側の共振コイル１４０と磁場において共鳴する。そうすると、共振コイル１２０から共振コイル１４０へ磁場を介してエネルギー（電力）が移動する。共振コイル１４０へ移動したエネルギー（電力）は、電磁誘導コイル１６０を用いて取出され、整流回路６０（図１）へ出力される。
【００４３】
なお、電磁誘導コイル１１０は、電源装置２０から共振コイル１２０への給電を容易にするために設けられるものであり、電磁誘導コイル１１０を設けずに共振コイル１２０に電源装置２０を直接接続してもよい。また、共振コイル１２０の浮遊容量を利用してキャパシタ１３０を設けない構成としてもよい。
【００４４】
同様に、電磁誘導コイル１６０は、共振コイル１４０からの電力の取出しを容易にするために設けられるものであり、電磁誘導コイル１６０を設けずに共振コイル１４０に整流回路６０を直接接続してもよい。また、共振コイル１４０の浮遊容量を利用してキャパシタ１５０を設けない構成としてもよい。
【００４５】
図３は、図１に示した電源装置２０の回路図である。図３を参照して、電源装置２０は、チョークコイル２１０と、スイッチング素子２２０と、パルス発生器２３０と、ゲート抵抗２４０と、共振回路２５０と、補償回路２６０と、出力端子２８０とを含む。
【００４６】
チョークコイル２１０は、パワーコントローラ１０（図１）とノードＮＤとの間に接続され、ノードＮＤにスイッチング素子２２０が接続される。共振回路２５０は、ノードＮＤと出力端子２８０との間に接続され、出力端子２８０に負荷２９０が接続される。なお、負荷２９０は、電源装置２０から見た、共鳴ユニット３０（図１）以降の負荷を総括的に示したものである。補償回路２６０は、ノードＮＤと共振回路２５０との間の電力線ＰＬに接続される。すなわち、補償回路２６０は、スイッチング素子２２０に並列に接続される。
【００４７】
チョークコイル２１０は、パワーコントローラ１０から受ける電流を略一定にする。すなわち、チョークコイル２１０のインダクタンスは、パワーコントローラ１０から受ける電流を略一定化できる程度に大きく設定される。
【００４８】
スイッチング素子２２０は、パルス発生器２３０およびゲート抵抗２４０から成るゲート駆動回路によってオンオフ駆動される。送電装置１００の給電能力を大きくするためにスイッチング素子２２０は大きな定格を有しており、そのためにスイッチング素子２２０の寄生容量は大きなものとなっている。スイッチング素子２２０には、代表的にはパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field-Effect  Transistor）が用いられるが、パワーＭＯＳＦＥＴに代えてＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）等のパワートランジスタを用いてもよい。なお、スイッチング素子２２０には、逆並列にダイオードが接続される。
【００４９】
パルス発生器２３０は、スイッチング素子２２０をオンオフ駆動するためのパルス信号（デューティー比５０％）を発生する。パルス発生器２３０が発生するパルス信号の周波数は、この電源装置２０により生成される交流電力の周波数である。ゲート抵抗２４０は、寄生振動等を防止するために設けられる。
【００５０】
共振回路２５０は、直列接続されたキャパシタ２５２およびコイル２５４を含む。共振回路２５０については、電源装置２０により生成される交流電力の周波数付近に固有周波数を有するように、キャパシタ２５２およびコイル２５４が設計される。
【００５１】
補償回路２６０は、直列接続されたコイル２６２およびキャパシタ２６４を含む。この補償回路２６０は、誘導性インピーダンスを有し、スイッチング素子２２０の寄生容量の放電を早めるために設けられる。以下、この点について説明する。
【００５２】
チョークコイル２１０、スイッチング素子２２０、および共振回路２５０の各仕様は、この電源装置２０の作動周波数、出力電力、および負荷２９０に基づいて、Ｅ級増幅回路の設計理論に従って決定される。ここで、一般的なＥ級増幅回路においては、電圧の立上りを遅らせて出力を正弦波に近づけるために、スイッチング素子に並列にキャパシタが接続される。このキャパシタの仕様については、Ｅ級増幅回路の作動周波数および出力の負荷に基づいて、Ｅ級増幅回路の設計理論に従ってたとえば次式にて決定される。
【００５３】
Ｃ＝８／{π（π2＋４）ωＲ}  …（１）
ここで、ω＝２πｆであり、ｆは作動周波数を示し、Ｒは負荷の大きさを示す。スイッチング素子は寄生容量を有するので、スイッチング素子に並列に接続されるキャパシタの容量については、上記の算出値からスイッチング素子の寄生容量を差引く必要がある。
【００５４】
一方、この実施の形態１における電源装置２０においては、上述のように、送電装置１００の給電能力を大きくするためにスイッチング素子２２０は大きな定格を有している。そのためにスイッチング素子２２０の寄生容量２７０も大きなものとなっており、寄生容量２７０が式（１）で示される容量を超える。このため、この電源装置２０においては、一般的なＥ級増幅回路においてスイッチング素子に並列に接続されるキャパシタが設けられていない。
【００５５】
スイッチング素子の寄生容量が式（１）で示される容量を超える場合、このままでは、スイッチング素子のターンオン時に零電圧スイッチングを実現できない。そこで、この実施の形態１では、スイッチング素子２２０（寄生容量２７０）に並列に誘導性インピーダンスを有する補償回路２６０を設け、スイッチング素子２２０の寄生容量２７０の放電を早めることで、寄生容量２７０が大きくてもスイッチング素子２２０の零電圧スイッチングを実現可能としたものである。
【００５６】
補償回路２６０のコイル２６２は、スイッチング素子２２０のスイッチング周波数において、スイッチング素子２２０の寄生容量２７０と共振するように設計される。すなわち、コイル２６２のインダクタンスは、コイル２６２とスイッチング素子２２０の寄生容量２７０とによって形成される回路の共振周波数がスイッチング素子２２０のスイッチング周波数と同等になるように設定される。これにより、寄生容量２７０の電荷量を適切にすることができ、スイッチング素子２２０の零電圧スイッチングを実現することができる。
【００５７】
補償回路２６０のキャパシタ２６４は、直流阻止用に設けられ、十分に大きな容量を有するものである。一例として、キャパシタ２６４のインピーダンスの大きさがコイル２６２のインピーダンスの大きさの１０倍以上になるように、キャパシタ２６４の容量が設定される。なお、特に図示しないが、コイル２６２とキャパシタ２６４との配置を入替えてもよい。
【００５８】
図４は、一般的なＥ級増幅回路における理想状態下での波形図である。なお、この図４および後述の図５は、後述の図６に示される本実施の形態１の波形と比較するために示されるものである。図４を参照して、電圧Ｖｇは、スイッチング素子のゲート電圧を示し、電圧Ｖｃは、スイッチング素子に並列接続されるキャパシタの端子間電圧を示す。また、電流Ｉｓは、スイッチング素子に流れる電流を示し、電流Ｉｏは、Ｅ級増幅回路の出力電流を示す。
【００５９】
時刻ｔ１において、電圧Ｖｇが立ち上がり、スイッチング素子がターンオンする。スイッチング素子がオンしている間は、電圧Ｖｃは略０であり、スイッチング素子には電流Ｉｓが流れる。
【００６０】
時刻ｔ２において、電圧Ｖｇが立ち下がり、スイッチング素子がターンオフする。電流Ｉｓは０となり、スイッチング素子に並列接続されるキャパシタが充電されることにより電圧Ｖｃが上昇する。その後、共振回路の作用によってキャパシタの放電が始まり、電圧Ｖｃは低下する。キャパシタの容量は、スイッチング素子の零電圧スイッチングを実現するために上記の式（１）に基づいて設計されており、スイッチング素子がターンオンする時刻ｔ３の直前に電圧Ｖｃは０となる。
【００６１】
そして、時刻ｔ３において、電圧Ｖｇが再び立ち上がり、電圧Ｖｃが０の状態でスイッチング素子がターンオンする。すなわち、スイッチング素子の零電圧スイッチングが実現される。
【００６２】
図５は、一般的なＥ級増幅回路において、スイッチング素子の寄生容量が大きい場合の波形図である。なお、この図５も、後述の図６に示される本実施の形態１の波形と比較するために示されるものである。図５を参照して、時刻ｔ２において、スイッチング素子がターンオフすると、スイッチング素子に並列接続されるキャパシタが充電されることにより電圧Ｖｃが上昇する。
【００６３】
ここで、スイッチング素子の寄生容量が式（１）で示される容量を超えるほど大きいと、スイッチング素子がターンオンする時刻ｔ３に寄生容量に電荷が残留し、電圧Ｖｃは０にならない。したがって、この状態で、時刻ｔ３において、スイッチング素子がターンオンすると、スイッチング素子に短絡電流が流れ、大きな損失が発生する。すなわち、このケースでは、零電圧スイッチングが実現できていない。
【００６４】
図６は、この実施の形態１の電源装置２０における波形図である。図６を参照して、電圧Ｖｃは、寄生容量２７０の電圧、すなわちスイッチング素子２２０のドレイン−ソース間電圧を示し、電流Ｉｘは、補償回路２６０のコイル２６２（図３）に流れる電流を示す。時刻ｔ２において、スイッチング素子がターンオフすると、スイッチング素子２２０の寄生容量２７０が充電されることにより電圧Ｖｃが上昇する。
【００６５】
ここで、この実施の形態１では、スイッチング素子２２０（寄生容量２７０）に並列に誘導性インピーダンスを有する補償回路２６０が設けられるので（図３）、スイッチング素子２２０のターンオフ後、誘導性インピーダンスを有する補償回路２６０へスイッチング素子２２０（寄生容量２７０）から電流Ｉｘが流れる。これにより、スイッチング素子２２０の寄生容量２７０の放電が早められ、スイッチング素子２２０がターンオンする時刻ｔ３の直前に電圧Ｖｃは０となる。
【００６６】
そして、時刻ｔ３において、電圧Ｖｇが再び立ち上がり、電圧Ｖｃが０の状態でスイッチング素子２２０がターンオンする。すなわち、スイッチング素子２２０の零電圧スイッチングが実現される。
【００６７】
なお、上記においては、送電装置１００の給電能力を大きくするためにスイッチング素子２２０は大きな定格を有するものとしたが、スイッチング素子の定格には上限があるので、図７に示すように、複数のスイッチング素子を並列接続することによってスイッチング素子２２０を構成してもよい。この図７では、スイッチング素子２２０が、互いに並列接続された３つのスイッチング素子２２０Ａ〜２２０Ｃによって構成される一例が示されている。このように複数のスイッチング素子を並列接続すると、スイッチング素子全体としての寄生容量が大きくなるところ、この実施の形態１においては、補償回路２６０が設けられるので、零電圧スイッチングが実現される。
【００６８】
以上のように、この実施の形態１においては、スイッチング素子２２０の寄生容量２７０が式（１）で示される容量を超えるところ、誘導性インピーダンスを有する補償回路２６０がスイッチング素子２２０に並列に接続される。これにより、スイッチング素子２２０の寄生容量２７０の放電が補償回路２６０によって早められる。したがって、この実施の形態１によれば、寄生容量２７０の大きいスイッチング素子２２０を用いてもスイッチング素子２２０の零電圧スイッチングを実現することができる。その結果、送電装置１００から車両２００へ大電力の非接触電力伝送を高効率に実現することができる。
【００６９】
［実施の形態２］
車両外部へ電力を出力可能に構成された車両に、本発明の電源装置を適用することも可能である。
【００７０】
図８は、この発明による電源装置が適用される車両の全体構成図である。図８を参照して、車両２００Ａは、図１に示した実施の形態１における車両２００の構成において、整流回路６０に代えて電源装置９０を備える。
【００７１】
電源装置９０は、蓄電装置７０から電力を受けて高周波の交流電力を生成する。この電源装置９０の構成は、図３に示した電源装置２０と同じである。すなわち、電源装置９０においては、車両２００Ａから負荷３２０への給電能力を大きくするためにスイッチング素子２２０が大きな定格を有するものであるところ、スイッチング素子２２０に並列に誘導性インピーダンスを有する補償回路２６０が接続され、スイッチング素子２２０の零電圧スイッチングが実現される。
【００７２】
共鳴ユニット５０は、電源装置９０から高周波の交流電力の供給を受け、車両外部に設けられる共鳴ユニット３１０へ電力を伝送する。共鳴ユニット５０の固有周波数は、共鳴ユニット３１０の固有周波数と同じである。「固有周波数」や「固有周波数が同じ」の意味は、実施の形態１で説明したとおりである。そして、車両外部において、共鳴ユニット３１０は、車両２００Ａの共鳴ユニット５０から送出される電力を非接触で受電して負荷３２０へ出力する。
【００７３】
この実施の形態２によれば、車両２００Ａの電源装置９０に寄生容量の大きいスイッチング素子２２０を用いてもスイッチング素子２２０の零電圧スイッチングを実現することができる。その結果、車両２００Ａから負荷３２０へ大電力の非接触電力伝送を高効率に実現することができる。
【００７４】
なお、上記の実施の形態１，２においては、車両を用いた非接触電力伝送システムに本発明の電源装置が適用される場合について説明したが、携帯電話や家電製品など、車両以外の非接触電力伝送システムにも本発明は適用可能である。
【００７５】
また、上記の各実施の形態においては、一次側の共鳴ユニットと二次側の共鳴ユニットとを電磁界によって共振（共鳴）させることで、一次側の共鳴ユニットから二次側の共鳴ユニットへ非接触で電力が伝送されるものとしたが、電磁誘導により一次側から二次側へ電力を伝送するシステムにもこの発明は適用可能である。すなわち、たとえば、図１に示した非接触電力伝送システムでは、共鳴ユニット３０，５０間の結合係数κは０．１以下であり、結合係数κとＱ値との積が所定値（たとえば１．０）以上になるように共鳴ユニット３０，５０を設計するものとしたが、各共鳴ユニット３０，５０を一つのコイルで構成するとともに結合係数κが１．０に近くなるように各コイルを設計することによって、電磁誘導により送電装置から車両へ電力が伝送される。
【００７６】
なお、上記において、チョークコイル２１０は、この発明における「第１のインダクタ」の一実施例に対応する。また、コイル２６２は、この発明における「第２のインダクタ」の一実施例に対応し、キャパシタ２６４は、この発明における「容量素子」の一実施例に対応する。さらに、電源装置２０は、この発明における「電源部」の一実施例に対応し、共鳴ユニット３０は、この発明における「送電用共鳴部」の一実施例に対応する。
【００７７】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７８】
１０  パワーコントローラ、１２  系統電源、１４  太陽電池、１６，７０  蓄電装置、２０，９０  電源装置、３０，５０，３１０  共鳴ユニット、６０  整流回路、８０  動力生成装置、１００  送電装置、１１０，１６０  電磁誘導コイル、１２０，１４０  共振コイル、１３０，１５０，２５２，２６４  キャパシタ、２００，２００Ａ  車両、２１０  チョークコイル、２２０，２２０Ａ〜２２０Ｃ  スイッチング素子、２３０  パルス発生器、２４０  ゲート抵抗、２５０  共振回路、２５４，２６２  コイル、２６０  補償回路、２７０  寄生容量、２８０  出力端子、２９０，３２０  負荷。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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